針對底座鑄件Cu偏析缺陷的工藝優(yōu)化

謝懿 邵軍 楊撲松

摘要：差壓鑄造ZL201A合金底座鑄件探傷時，發(fā)現(xiàn)部分鑄件上平板面存在縮孔型Cu、Ti偏析。由于薄厚交替處最后凝固，補縮困難，Cu含量較高；Cu全部富集在縮孔處。通過工藝優(yōu)化，合理設(shè)計澆注系統(tǒng)和使用冷鐵，嚴格控制合金中Cu含量，可防止此類缺陷的產(chǎn)生。

主題詞：ZL201A合金；縮孔；Cu偏析；形成機理

1 引言

ZL201A合金是Al-Cu-Mn系高強優(yōu)質(zhì)鑄造鋁合金，該合金在室溫和高溫下的力學(xué)性能較高，塑性及沖擊韌度較好，焊接性能和切削加工性能優(yōu)異，在航空、航天及重要受力結(jié)構(gòu)件中有著廣泛的使用[1]。但由于該合金的結(jié)晶范圍較寬，收縮大，易產(chǎn)生縮孔、疏松和偏析等鑄造缺陷。本文以底座鑄件為研究對象，通過改進澆注系統(tǒng)、改變澆注溫度和增加冷鐵等方式，改變該鑄件的凝固方式，探討分析了偏析缺陷的形成機理和防止措施。

2 底座鑄件原工藝方案

2.1 底座鑄件結(jié)構(gòu)

底座屬于“帽狀”殼體類鑄件，大概輪廓尺寸Φ396mm×Φ210mm×147mm，鑄件結(jié)構(gòu)如圖1所示。鑄件材質(zhì)為ZL201A，執(zhí)行GB/T1173-2013，化學(xué)成分要求見表1，力學(xué)性能要求見表2。

2.2 原工藝方案

造型采用三箱造型，粘土砂實樣成型，大圓盤朝下，內(nèi)澆口放置于中下箱中，由豎直筒體外圓周面切向進入，在鑄件上部的小圓盤頂部加一圓錐形冒口。澆注方式為壓差澆注。

2.3 缺陷表現(xiàn)及分析

底座鑄件探傷時，發(fā)現(xiàn)鑄件上部的小圓盤面上存在鑄造縮孔型偏析，呈彌散分布.經(jīng)分析為小圓盤與豎直筒體壁形成局部熱節(jié)，最后凝固，造成此處在凝固時得不到液體補償，同時在平面上放置了冷鐵，導(dǎo)致小圓盤的Cu元素在成分過冷的影響下全部存在于熱節(jié)內(nèi)，填補了縮孔。

3 縮孔型偏析機理分析

ZL201A合金的結(jié)晶溫度較寬，由于冷卻速率不一致導(dǎo)致合金以糊狀凝固方式進行凝固，在先形成的網(wǎng)絡(luò)狀骨架存在的縫隙處很容易被后期低熔點的共晶液相填充，分布不均，繼而在冷卻后很容易形成共晶偏析，如果此時液體不足以完全填充滿，在凝固完畢后形成疏松、縮松；若補縮通道已經(jīng)封閉，裂開的縫隙處得不到低熔點液體補充，則形成裂紋[2，3]。由于晶界上的擴散能較大，所以在形核的過程中Al2Cu相主要沿晶界長大，從液相中擴散出來的Cu原子總是最先到達晶界，而后被A12Cu相吸收，直至基體內(nèi)的Cu原子擴散完畢，這便形成了Cu元素富集現(xiàn)象，導(dǎo)致偏析的產(chǎn)生。

4 鑄造工藝探討

4.1 澆注系統(tǒng)對ZL201A合金的影響

澆注系統(tǒng)是ZL201A合金底座鑄件差壓鑄造中極其重要的部分，合理的澆注系統(tǒng)可以促進底座鑄件的同時凝固，降低Cu偏析，同時針對鑄件結(jié)構(gòu)中的厚大部位起到補縮作用。

4.2 澆注溫度對ZL201A合金的影響

澆注溫度對底座鑄件各部位的凝固順序和冷鐵效果起到關(guān)鍵作用，澆注溫度過高容易導(dǎo)致冷鐵失效，同時產(chǎn)生大面積的疏松和縮孔。

4.3 冷鐵及冷鐵厚度對ZL201A合金的影響

常規(guī)的鐵制冷鐵和過厚的鋁制冷鐵會導(dǎo)致鑄件在強激冷的作用下造成晶間低熔點化合物富集[4]，ZL201A鑄件在凝固收縮的過程中熱裂紋傾向嚴重。

5 工藝驗證

5.1 改進澆注系統(tǒng)控制缺陷

針對鑄件上平面出現(xiàn)的縮孔型Cu偏析，通過內(nèi)澆道提高鑄件上平面的溫度梯度，將熱節(jié)引入內(nèi)澆道，同時在現(xiàn)使用的內(nèi)澆道高度增加50%，減緩內(nèi)澆道的凝固，提高補縮效果。改進前后的澆注系統(tǒng)如圖2所示。

5.2 改進澆注溫度控制缺陷

根據(jù)改進澆注系統(tǒng)的生產(chǎn)驗證結(jié)果可知，改進澆注系統(tǒng)對縮孔型偏析缺陷有所改善，但遠未達到預(yù)期目標(biāo)。根據(jù)生產(chǎn)驗證結(jié)果分析，內(nèi)澆道對缺陷處有一定的補縮，但根據(jù)一爐中上面一件比下面一件較好的情況進行分析，得出澆注溫度過高引起這一現(xiàn)象的可能性較大的結(jié)論，決定在不改變澆注系統(tǒng)的基礎(chǔ)上降低澆注溫度。澆注溫度由原來的715℃～720℃調(diào)整為708℃～712℃。

5.3 增加冷鐵控制缺陷

根據(jù)以上方案生產(chǎn)驗證結(jié)果可知，改進澆注系統(tǒng)并降低澆注溫度后，鑄件縮孔型偏析缺陷面積進一步縮小，但依舊未達到鑄件使用要求。綜合分析認為，改進澆注系統(tǒng)和降低溫度后并未徹底解決鑄件上部小圓盤與直筒之間的熱節(jié)問題，故決定在上述兩方案的基礎(chǔ)上，在小圓盤與圓直筒之間增加10mm厚鋁制隨型冷鐵，加大該處的補縮。

6 結(jié)論

底座鑄件縮孔型偏析處聚集的主要合金元素是Cu，根據(jù)成分過冷和凝固補縮形成縮孔型偏析的原理，從以下4方面進行工藝優(yōu)化可以消除鑄件縮孔型偏析缺陷。

（1）由于差壓鑄造是靠隙縫澆道來補縮的，對于薄厚不均的鑄件要采用同時凝固。

（2）采用成分均勻的A1-Cu中間合金，實現(xiàn)合金中Cu含量的精準(zhǔn)控制。

（3）合理設(shè)置鑄件澆注溫度，充分考慮鑄件凝固過程的溫度變化，減少成分過冷造成的Cu富集。

（4）在充分考慮澆注系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，適量添加合適冷鐵，降低鑄件熱節(jié)處的縮孔缺陷產(chǎn)生。

參考文獻：

[1]劉紅衛(wèi)，陳康華，黃伯云，等。高性能ZL201鑄造鋁合金的研究[J].礦冶工程.1999，19（3）：23-25.

[2]李玉勝，翟虎，囝衛(wèi)平，等。ZL205A合金殼體鑄件線性偏析缺陷形成機理研究[J].鑄造，2006.55（11）：1170-1173.

[3]李玉勝，翟虎，馬寶民，等.高強度ZL205A合金鑄件“白點”偏析研究[J]，鑄造，2007，56（2）：185—187.